ГОСы / ЯФИ / ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ

2. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ

Реакция 10В (n, α)7Li. Природный (естественный) бор состоит из двух изотопов: 10В (18,2%) и 11В (81,8%). Медленные нейтроны интенсивно взаимодействуют с ядрами изотопа 10В. В экзотермической реакции 10В (n, α) возникают α-частицы и ядро 7Li. Эта реакция проходит по двум каналам:

состояние 7Li помечено звездочкой. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием γ-кванта с энергией Еγ = 0,48 МэВ. Поэтому первый канал реакции можно переписать так:

Энергия реакции 10В(n, α)7Li равна 2,78 МэВ. Одна часть энергии (Eγ = 0,48 МэВ) уносится γ-квантом, другая часть (Е1 = 2,30 МэВ) выделяется в виде кинетической энергии α-частицы и ядра лития. Найдем распределение энергии Е1 между α-частицей и ядром лития в предположении, что ядро-мишень 10В покоится до начала (n, α)-реакции. В этом предположении α-частица и ядро лития движутся после реакции в противоположных направлениях. По законам сохранения энергии и импульса, строго выполняющимся в ядерных превращениях,

(4)

(5)

Возведем первое уравнение в квадрат, а затем заменим произведения mαvα2 и mLivLi2 на 2Еα и 2ELi соответственно. Тогда первое уравнение преобразуется в уравнение

Последовательно исключая из второго уравнения Еα и ЕLi, получим выражения для кинетических энергий:

Масса ядра в атомных единицах массы примерно равна массовому числу А. С учетом, что mα≈ 4 а.е.м, mLi≈7 а.е.м. окончательно получим

Таким образом, из энергии Е1 = 2,30 Мэв на долю α-частицы приходится Еα = 1,47 МэВ, а на долю ядра лития

ЕLi = 0,83 МэВ.

Вероятность протекания реакции по первому каналу составляет 0,93 для медленных нейтронов до энергии приблизительно 10 кэВ. Затем эта вероятность постепенно уменьшается, достигая значения 0,3 при энергии нейтронов 1,8 МэВ, и вновь увеличивается до 0,5 при энергии нейтронов 2,5 МэВ. По второму каналу реакция 10В(n, α)7Li идет с вероятностью 7% для медленных нейтронов и соответственно с большей вероятностью для быстрых нейтронов. Энергия реакции Е2 = 2,78 МэВ в этом случае полностью уносится α- частицей и ядром лития. Кинетические энергии α-частицы и ядра лития, возникающие во втором канале (n,

где σσ0= 4010 барн — сечение (n, α)-реакции при энергии нейтронов Е0 = 0,025 эВ, которой соответствует скорость нейтронов v0 = 2200 м/сек; v и Е - скорость и энергия нейтронов, которым соответствует сечение (n,

α)-реакции σα.

Среднее сечение (n, α)-реакции на природном боре равно 755 барн. Для повышения эффективности взаимодействия нейтронов бор обогащают изотопом 10В. Промышленными методами обогащения доводят содержание изотопа 10В в смеси изотопов бора до 80-90%. В детекторы нейтронов вводят как чистый бор, так

и его твердые (борная кислота, карбид бора, аморфный бор) и газообразные (трехфтористый бор) химические соединения.

Реакция 6Li(n, α)T. Изотоп лития 6Li характеризуется большим сечением (n, α)-реакции на медленных нейтронах. Реакция 6Li(n, α)T относится к экзотермическим реакциям, в которой освобождается около 4,8 МэВ энергии. В результате реакции α-частица и ядро трития разлетаются с кинетическими энергиями Еα =2,05 МэВ и Еγ=2,75 МэВ. Значения кинетической энергии α-частицы и ядра трития получают из формул (11.1), в которых индекс Li необходимо заменить индексом Т, а энергию Е1 считать равной 4,8 МэВ. Сечение (n, α)-реакции на 6Li для медленных нейтронов описывается законом 1/v. При энергии нейтронов Е0 = 0,025 эВ сечение (n, α)-реакции σσ0 = 945 барн. Сечение (n, α)-реакции природного лития, содержащего 7,5% 6Li, составляет всего 71 барн. Поэтому природный литий, как и природный бор, обогащают по изотопу 6Li до 90%.

Литий дает многочисленные химические соединения, часть которых используют в детекторах нейтронов. Йодистый литий LiI идет на приготовление монокристаллов для сцинтилляционных счетчиков. Из окиси лития Li2O изготовляют сцинтиллирующие стекла (литиевые стекла).

Реакция Не3(n, р)T. На ядрах изотопа гелия 3Не протекает экзотермическая реакция 3Не(n, р)Т с выделением энергии около 0,78 МэВ. Одна часть энергии уносится протоном (Ер = 0,65 МэВ), а остальная часть — ядром трития (ЕТ = 0,13 МэВ). Сечение реакции, подчиняющееся закону 1/v, принимает значение σр0= 5400 барн при энергии Е0 = 0,025 эВ. В природном гелии содержится только 1,3 10-4% изотопа 3Не, поэтому его получают искусственным путем. Так как гелий - инертный газ, то его используют как газнаполнитель ионизационных камер и пропорциональных счетчиков.

Реакция деления ядер. Под действием нейтронов ядра тяжелых: элементов (уран, плутоний, торий и др.) делятся на два осколка. На одно деление ядра освобождается энергия, равная примерно 200 МэВ. Некоторые изотопы 233U, 235U, 239Pu) делятся нейтронами; любой энергии. Для других изотопов (232Th, 238U) реакция деления является пороговой и начинается с энергии нейтронов около 1 МэВ и выше. Осколки деления представляют собой сверхтяжелые заряженные частицы. После деления ядра каждый осколок движется с кинетической энергией около 80 Мэв. Тормозясь в веществе, они создают; мощную ионизацию и возбуждение атомов. Это свойство осколков деления используют при конструировании ионизационных камер для регистрации нейтронов, которые называют камерами деления.

Реакция радиационного захвата нейтронов. В результате поглощения ядром нейтрона возникает возбужденное составное ядро. Энергия возбуждения Wвозб равна сумме кинетической энергии на летающего нейтрона Е и энергии связи нейтрона в составном ядре, εn. Значение εn для ядер с массовыми числами A~100 составляет около 8 МэВ. При радиационном захвате [(n, γ)-реакции] возбужденное составное ядро переходит в основное состояние, испуская один или несколько γ-квантов. Это γ-излучение называют захватным. Регистрация нейтронов происходит путем детектирования этих γ-квантов сцинтилляционным счетчиком.

Эффективность регистрации нейтронов по захватному γ-излучению зависит от эффективности сцинтилляционного счетчика γ-квантов, сечения (n, γ)-реакции у выбранного вещества, а также от множественности и спектра захватного γ-излучения. Для повышении эффективности детектора γ-квантов используют фосфоры с высоким порядковым номером Z атомов, входящих в их состав, такие, как монокристаллы NaI(Tl). Множественностью в (n, γ)-реакции называют среднее число γ-квантов, испускаемых при одном акте радиационного поглощения нейтронов. Чем больше множественность (Табл. 1), тем с большей вероятностью может быть зарегистрирован хотя бы один γ-квант из общего числа.

Табл. 1. Множественность для некоторых ядер в (n, γ)-реакции

Упругое рассеяние нейтронов. В реакции упругого рассеяния нейтрон передает ядру часть своей кинетической энергии. Максимальную долю энергии нейтрон сбрасывает при центральном (лобовом) столкновении с ядрами. Масса нейтрона мало отличается от массы протонов. Вследствие этого нейтрон, испытывая центральное столкновение с протоном, теряет всю свою кинетическую энергию. Упругое рассеяние нейтронов на ядрах водорода используют для регистрации быстрых нейтронов по протонам отдачи. Для этого водородсодержащие вещества вводят в ионизационные камеры, а в сцинтилляционных счетчиках применяют фосфоры, содержащие много атомов водорода (органические монокристаллы, пластики).

Неупругое рассеяние. В результате неупругого рассеяния часть кинетической энергии нейтрона расходуется на перевод ядра на возбужденный энергетический уровень. При переходе в основное состояние возбужденное ядро испускает один или несколько γ-квантов. По γ-квантам, испускаемым после неупругого

рассеяния, можно регистрировать нейтроны. Неупругое рассеяние является пороговой реакцией и происходит лишь на быстрых нейтронах, так как даже в тяжелых ядрах первый возбужденный энергетический уровень отстоит от основного, невозбужденного энергетического уровня примерно на 0,1 МэВ. Методом регистрации γ-квантов неупругого рассеяния нейтронов детектируют нейтроны в области энергии больше 1 МэВ.

Реакция активации. В некоторых реакциях радиационный захват нейтрона, (n, 2n)-реакция и т. д. возникают радиоактивные ядра. Присоединение нейтрона к ядру-мишени в реакции радиационного захвата приводит к увеличению числа нейтронов в ядре отдачи. Возникающие ядра в (n, γ)-реакции часто проявляют β- - активные свойства. Наоборот, в результате (n, 2n)-реакции в ядре отдачи может ощущаться недостаток нейтронов. Тогда оно становится радиоактивным и испускает β+-частицу. Медленные нейтроны активируют вещество в реакции радиационного захвата. Порог (n, 2n)-реакции у большинства веществ превышает 10-20 МэВ, и эти вещества могут активироваться через пороговую (n, 2n)-реакцию лишь быстрыми нейтронами. Вещества, активируемые нейтронами, применяют для регистрации потоков нейтронов. Активность, наведенную нейтронами, измеряют счетчиками Гейгера - Мюллера и сцинтилляционными счетчиками. Вещество, облучаемое нейтронами в тепловой и резонансной областях, активируется тепловыми и резонансными нейтронами. Для разделения эффектов активации от тепловых и резонансных нейтронов используют фильтры из кадмия, которые интенсивно поглощают тепловые нейтроны. Сечение поглощения нейтронов кадмием, равное в тепловой области 2450 барн, быстро падает с увеличением энергии нейтронов. Вблизи границы тепловой и резонансной областей энергии нейтронов оно уменьшается до 1 барн. Вследствие этого пластинка из кадмия толщиной 0,5 мм поглощает почти все падающие на нее тепловые нейтроны с энергией Е < 0,4 эВ и пропускает резонансные нейтроны.

Один из экспериментальных методов регистрации тепловых и резонансных нейтронов основан на измерении кадмиевого отношения RCd. Оно находится по результатам двух измерений. Сначала в поле нейтронов помещают пластинку вещества без кадмиевого чехла. Она активируется как тепловыми, так и резонансными нейтронами. После определения наведенной активности а1 и выдержки, в течение которой почти все активные ядра распадутся, пластинку заворачивают в кадмиевый чехол и снова устанавливают на то же место поля нейтронов. Активность а2 пластинки с кадмиевым чехлом обусловливается поглощением только резонансных нейтронов. Тогда активность от тепловых нейтронов будет равна

Значение ат пропорционально потоку тепловых нейтронов Фт, а значение а2 - потоку резонансных нейтронов ФT. Поэтому

Коэффициент пропорциональности k зависит от чувствительности пластинки к активации тепловыми и резонансными нейтронами. Если значение k известно, то кадмиевое отношение дает информацию о потоках тепловых и резонансных нейтронов в месте измерения. Кадмиевые чехлы используют не только в активационном методе. И кадмиевый чехол можно поместить любой небольшой по размерам детектор нейтронов, не чувствительный к γ-излучению. При поглощении тепловых нейтронов в кадмии возникает захватное γ-излучение, регистрация которого искажает кадмиевое отношение.